作者：貿澤電子 Mark Patrick

　　產品上市時間是許多com/tags/工業自動化" target="_blank">工業自動化應用的關鍵考慮因素。但對于一些具體應用，其中最為復雜的部分越來越多地是通過軟件而不是通過硬件來實現，這種方法允許使用商用“普通”硬件計算平臺，其中有許多種不同類型可供選擇。然而，系統架構師面對的則是一組令人眼花繚亂的多種外形尺寸。每種外形尺寸都會基于一系列明確定義的主板和模塊標準，可提供設計靈活性、有競爭力的價格和二次采購源等便利。本文將討論一些可用于整合到工業設備設計中的最流行外形尺寸。

　　工業領域商用計算硬件

　　從高層次上看，工業流程自動化涉及來自各種傳感器的輸入監控、接收到的數據處理以及根據預定義的工作流程采取相應行動。傳感器可能包括限制開關、溫度、壓力和運動測量等，控制指令則通過繼電器、泵和電機驅動器等致動器執行。

　　各個單獨控制區形成工業過程的彼此獨立部分，每個部分都配備有專用過程控制器。數百個通常由單板工業 PC構成的過程控制器可以部署在一個大型制造現場，雖然工業 PC 本質上與臺式機具有相同的功能，但或許也存在一些顯著差異。它們通常會在更廣泛的工作溫度范圍內可靠地運行，支持工業網絡協議和外圍接口，并適應更廣泛的操作系統。并非所有單板計算機或計算機模塊都適用于需要 -40 ～ +85°C 工業級溫度范圍的應用，某些電路板只符合 0  ～ +60°C 的商業溫度范圍。

　　工業市場并不是唯一需要通用計算資源的領域，石油/天然氣、電信、航空和國防等領域也有類似要求。對于系統構建者來說，通過考慮來自不同制造商且符合一組機械和功能標準的各種計算機板和模塊可以降低開發復雜性。

　　外形尺寸規格

　　一套開放的外形尺寸標準已經在得到開發以滿足市場需求。這些為單板工業 PC 和模塊計算機 （COM） 制造商提供了在一些特定市場的關注焦點，而開放標準能夠為系統構建者提供二次采購源和供應連續性的信心，無需重新設計他們的系統。

　　外形尺寸標準能夠確定主板的物理和機械布局，一般其規格包括電源要求、安裝孔位置、尺寸和端口布局。許多臺式 PC 主板外形尺寸標準可以追溯到 80 年代初和 IBM PC 的出現，并在之后得以不斷發展。

　　PCI 工業計算機制造商集團 （PICMG） 成立于 1994 年，擁有 140 多個成員組織，并領導了幾個重要的單板計算機和模塊標準的開發。這些標準都是開放、免版稅，并且不需要許可證。PICMG 標準包括：

　　Advanced TCA（高級 TCA）

　　MicroTCA

　　COM Express.

　　COM Express: COM Express 規范涵蓋一系列小外形尺寸（SFF） 和 COM型單板電腦。COM 通常設計為適合基板（母板）配電以及所有 I/O 的需求，這種方法能夠提供一種快速方便的電路板更換方法。圖 1 示出了規范演變的時間線和各種外形尺寸。

　　圖 1：COM Express 規范演變。（來源：PICMG）

　　COM Express 規范也在不斷發展，以整合最新的處理器技術、存儲方法、視頻接口和網絡標準。例如，COM Express Rev 3 規范在板上最多可容納四個 10 Gigabit 以太網接口。類型聲明（type declaration）規定了連接器（一個或兩個）及其在每個規范中的引腳使用。

　　凌華科技（ADLINK） Express-CFR 是符合 PICMG COM R3.0 Type 6 規范單板計算機的一個很好例子。

　　圖 2 說明了電路板的功能以及網絡、電源、存儲和相關外圍接口的連接器分配。

　　圖 2：凌華科技 Express-CFR 板符合 PICMG COM.0 Rev 3.0 Type 6 規范。（來源：凌華科技）

　　ETX 外形尺寸（嵌入式擴展）的創始者ETX 工業集團協會與 PCIMG 合作，實現了 ETX Rev 3 格式與 COM Express 規范的兼容。 ETX 格式至今仍然是一種流行的緊湊型單板計算機尺寸。例如ADLINK ETX-BT搭載 Intel Atom E3800 SoC，可容納高達 8GB 的 DDR3 RAM。

　　COM-HPC：COM-Express 規范將兩個連接器限制為 440 針。然而，對于帶寬為 16Gbps 的 PCI Gen 4等新的高速接口，其帶寬是 PCI Gen 3 的兩倍，要求 PICMG 開發新的規范 COM-HPC。該規范定義了三種模塊類型：具有固定輸入電壓的客戶端模塊、具有寬輸入電壓范圍的客戶端模塊和具有固定輸入電壓的服務器模塊。

　　五種 COM-HPC 板的外形尺寸已經得到確定：最小的是尺寸 A，大小為 95 mm x 120 mm，最大的是尺寸 E，推薦用于服務器，大小為 200 毫米 x 160 毫米。

　　AdvancedTCA（ATCA）： ATCA 是另一種在電信行業被廣泛采用的 PICMG 規范，電信行業對高強度處理器資源、密集 IO 分布和高網絡帶寬的需求很高。許多軍事會應用使用 ATCA 加固版本。

　　除了 PICMG，PC/104 聯盟還建立了三種不同的外形尺寸。該聯盟因此得名的第一個標準是 PC/104 外形尺寸，其名稱來源于 104 針 PCI 連接器，而該聯盟的其他外形尺寸包括 EPIC 和 EBX。

　　PC/104：該標準規定了 90mm x 96mm 的電路板尺寸及其機械設計以適合牢固的應用。該格式允許為需要大量 I/O 功能的應用疊放多個板。 PC/104 單板計算機的一個示例是 ADLINK CM1-86DX3 ，參見圖 3。

　　PC 和制造商衍生的外形尺寸

　　許多工業單板計算機繼續采用英特爾和威盛（VIA）等臺式 PC 處理器供應商建立的 PC 外形尺寸。示例包括 mini-ITX、Pico-ITX 和 nano-ITX。其他嵌入式系統制造商創建了 UTX 等格式，然后被不同的供應商采用。 MI/O 是制造商研華（Advantech）開發的另一個外形尺寸示例。

　　圖 4：Mini-ITX 外形尺寸與 Nano-ITX、Pico-ITX 和 mobile-ITX 規格的比較。（來源：VIA）

　　Mini-ITX：mini-ITX 規范定義了 170毫米 x 170毫米的電路板尺寸，參見圖 4。它最初由威盛開發，其中一個例子是研華 AIMB-233，這款功能齊全的主板具有 Intel i7、i5、i3 或 Celeron 內核，可容納高達 64 GB DDR4 2,400 MHz SDRAM，并具有兩個 M.2 存儲插槽。

　　MI/O：該標準由研華開發，具有兩種形式；緊湊（Compact）和超緊湊（Ultra）。 Compact 規范定義了比 COM-Express稍大的單板計算機，尺寸為 146mm x 102mm。 Ultra與 Pico-ITX 板尺寸相同，大小為 100mm x 72mm。

　　MI/O Ultra 板的一個示例是 研華 MIO-5272，請參見圖 5。

　　圖 5：采用MI/O Ultra 外形尺寸的研華 MIO-5273 單板計算機。（來源：研華）

　　MIO-5272 可用于 Intel i7、Intel i5、Intel i3 和 Celeron 變體。為了支持額外的外圍功能，研華設計了一種擴展板格式MIOe，這是一種統一的擴展接口連接器，可為所有 MI/O 尺寸板提供電源、USB 3.0、SMBus、顯示端口和 PCIe 連接。

　　UTX：這種單板計算機 UTX 外形尺寸為 112毫米 x 137毫米，其示例包括 研華 AIMB-U233，這是一款基于 Intel 第 8 代的主板，具有全面的存儲、網絡和圖形功能。電路板需要一個 12VDC 電源來供電，峰值負載時最大功率為 23W。

　　在上市時間壓力很大，不允許采用系統構建方法時，另一種可用方法是使用現成系統，例如研華 ROScube-I 系列。這款堅固耐用的嵌入式實時控制器非常適合機器人應用，能夠提供 GPU 和 VPU 擴展卡，可用于神經網絡算法。

　　適于工業應用的單板計算機模塊

　　為工業應用選擇工業計算機或 COM 可節省大量開發時間和不可收回的工程成本。將電路板安裝到空間有限的控制機柜或外殼中需要了解其外形尺寸。我們已經在這篇簡短的文章中介紹了選擇過程中可能遇到的常見外形尺寸。